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下面是使用本文中讨论的许多元素的爬行进给研磨设置。这里看到的是一个异形砂轮,连续修整单元直接在它上面,喷嘴跟随车轮的轮廓,和工具(白色塑料片)捕捉和池冷却剂。

研磨是未来的材料去除工艺吗?考虑以下两个重要的、正在发展的机加工趋势:

  • 更严格的公差。汽车和其他终端产品中性能更好的系统,推动了对机械零件越来越严格的特征公差和更精细表面的需求。
  • 更硬的材料。制造商越来越多地使用高温合金、陶瓷和其他在高温下具有高硬度的材料。这使得零件更耐用,但更难加工。

一般来说,除了这些机械加工的趋势外,还可以添加一个直接影响磨削的重要材料工程趋势:砂轮中改进的颗粒和结合剂提供了更有效的性能。总之,所有这些发展表明,研磨在未来将有更多的用途。他们还指出了比这更具体的含义。综上所述,这些因素表明,我们将看到越来越多地使用缓进给磨削

什么是蠕动进给磨削?与更常见的表面磨削相比,缓进给磨削采用更大的磨削深度和较慢的横向速度,通常采用异形砂轮,以比一般已知的磨削加工道次高得多的材料去除率(MRR)生成给定的几何形状。

MRR是缓进给磨削提供此类承诺的原因。在加工硬质高温合金(如Inconel)或更硬材料(如陶瓷基复合材料)时,较重金属切削过程(如铣削)的潜在MRR是有限的。因此,更多地使用这些硬质材料意味着铣削加工面临更大的挑战。但是,诸如砂轮改进等方面的发展使缓进给磨削在这些相同材料中的MRR显著增加。根据砂轮制造商圣戈班磨料磨具,这是诺顿品牌所熟知的,我们已经达到了这样一个地步,磨削不再是零件加工顺序中的一个终端过程。相反,在大量且越来越多的情况下,研磨是非常重要的过程

最近,我在参观诺顿公司位于马萨诸塞州诺斯伯勒的希金斯磨削技术中心时,与诺顿工程团队的成员谈到了这一转变。这个位于波士顿地区的工厂,在那里对砂轮和其他产品进行应用工程和产品测试,是该公司在全球的四个这样的磨削技术中心之一。在我参观的那天,我在工厂研发车间的数控磨床上看到的大部分测试都与蠕进磨削有关。我遇到的团队成员包括技术经理Robin Bright博士;高级应用工程师Bruce Gustafson;粘结磨料总监Brian Rutkiewicz;高性能材料技术专家Philip Varghese博士都是爬行喂食专家,他们参与了一项名为“机械加工到磨削”的公司倡议,旨在帮助制造商实现从金属切割到更多使用磨削的过渡。这一计划专注于航空制造商,因为他们转向难以加工的合金和复合材料,也为齿轮制造商实现了成功,现在正在寻找应用于汽车制造。

我询问了团队成员,在今天的游戏中什么是最重要的。他们的回答涵盖了以下10点,第一点探讨了有点模糊的问题,即爬行喂食从哪里开始。

1.缓进给磨削没有正式的定义。

古斯塔夫森说:“这里没有警察。”爬行进给磨削的主要定义特征是磨削所需的高切削深度,但究竟什么深度标志着过渡,却有不同的看法。在他涉及飞机发动机相关磨削应用的工作中,他注意到,该领域的工程师经常在0.015英寸处标记爬行进给的开始。他自己的观点认为,过渡要早于此;他认为0.005英寸的磨削深度可以算作蠕进。他说,无论哪种情况,选择都是随意的,没有正式的定义。很有可能你会认为你的深度打磨应用是爬行feed,并且你可能已经在没有意识到的情况下完成了爬行feed。

2.爬行进给既是一种低力过程也是一种高力过程。

Rutkiewicz通过指出这一看似矛盾的描述来描述爬行喂食过程:从一个角度看,切割中的力量是低的,从另一个角度看,是高的。虽然砂轮上的每个切削颗粒相对于其他磨削方式所受的力较低,但施加到机器和部分整体上的力可能很高。

为补偿蠕变进给中较深的切削深度,横向进给率(进给率)较低,通常为5至20英寸/分钟。较低的进给速度和相应的切屑负载意味着砂轮表面每个单独砂砾上的切削力也较低。车轮寿命和功率效率都可能从中受益。

然而,很多人都参与其中。大的切削深度,意味着更长的圆弧浸没在部分,增加整体力。因此,在这一过程中使用的磨床要求主轴功率至少为每英寸砂轮宽度15到20马力,每英寸砂轮宽度的静态回路刚度为每英寸100,000磅。

3.爬行进给提供了优于传统研磨。

与传统工艺相比,爬行进给研磨的速度更快,传球更轻,有以下优点:

  • 较短的周期时间.诚然,进给率低,但增加的切割深度超过补偿这一点。此外,通过总数的减少意味着在机器反转时加速和减速的时间损失更少。
  • 减少机器磨损,机器反转频率降低的另一个有益结果。
  • 更长的车轮寿命. 每粒磨粒减少的力(上文第2点)意味着这种高MRR工艺实际上对车轮的要求较低。
  • 更精细的公差和更复杂的几何低进给速度和每粒磨料的低作用力能够更好地控制研磨操作的结果。

所有这些好处都伴随着一个巨大的缺点,这将在下一点中讨论。

4.冷却液至关重要。

车轮啮合的长弧线在过程中转化为更大的热量产生。因此,冷却液对于有效使用缓进给磨削至关重要。其他加工工艺通常通过使用喷嘴将冷却液流大致指向切割方向来应用溢流冷却液,但蠕变进给要求更认真地应用冷却液。为了确保尽可能多地实现冷却液的传热能力,需要考虑各种因素,包括:

  • 冷却液输送速度与车轮表面的速度相匹配。将冷却液流速与车轮任何一点的通过速度同步,可确保更多冷却液与车轮相遇并跟随。
  • 冷却液输送喷嘴布置在与砂轮轮廓相匹配的轮廓中。(请参见上面幻灯片中的照片。)
  • 特殊的冷却剂收集工具用于爬行进给磨削。该部件的出口侧有一个斜坡,可以收集冷却剂,并使其聚集在车轮上,使车轮更大程度地暴露在流体中。这个斜坡甚至可能被加工成与零件轮廓相匹配。

5.下磨是MRR的首选。

与相对于工件的两个可能的刀具旋转方向产生常规铣削或爬升铣削的铣削相似,两个可能的砂轮旋转方向产生“向上”磨削或“向下”磨削。Bright博士说,当目标是高MRR时,爬行饲料的偏好是向下研磨。向下磨削时,砂轮的旋转使砂轮底部沿与零件进给相同的方向移动。这种类型的磨削会使砂轮的任何一点、砂轮的任何砂砾首先与材料啮合最大的工件接触。(请参见上面幻灯片中的图表。)

同样,热量是这种偏好的原因,因为库存去除率很高。向另一个方向研磨是让砂砾首先接触材料,而不切割材料。布莱特博士说:“结果是,每一颗砂砾都不会马上形成一个芯片。”。“最初,磨粒在滑动和犁削,这会导致摩擦和多余的热量进入零件。”向下研磨,虽然看起来更突然,但允许一个较冷的研磨过程,因为磨粒在第一次接触零件时会形成碎屑。相比之下,如果目标是获得良好的表面光洁度或延长磨料的使用寿命,则首选上磨。

6.间歇换药越来越被接受。

由于在缓进给磨削过程中,每道次的材料去除量非常大,因此该过程中使用的氧化铝砂轮往往需要连续修整。砂轮在磨削时使用修整轮,使砂轮始终保持锋利。事实上,除了功率和刚度外,连续修整能力可能是蠕变进给磨削的另一个机器要求。

然而,带有陶瓷砂砾的新型砂轮可以避免这种需要。由于陶瓷砂轮在很长一段时间内保持锋利,因此可以使用间歇修整,即在工作区域内除磨头以外的其他地方使用单独的砂轮进行修整。只在需要时进行修整可以使砂轮使用更久,而且通过消除对连续修整能力的需要,更先进的砂轮可以在更便宜的机器上进行爬行进给磨削。

7.超硬磨料砂轮可以超越工具磨削。

三轮式也可能适用于间歇式修整。采用金刚石或立方氮化硼(CBN)磨料的可修整金属结合剂超硬磨料砂轮已用于复合材料、金属陶瓷和陶瓷刀具的磨削加工。基于材料性能的相似性,诺顿公司的工程师认为,这些车轮还可以有效地研磨航空航天用陶瓷基复合材料和γ-钛铝化物零件。这些轮子的另一个有用特征是它们的多孔性。对于一般设计用于蠕动进给磨削的砂轮,材料颗粒间隔很宽,以形成微观孔隙,从而允许冷却液渗入砂轮。在诺顿温特范型(Norton Winter Paradigm)生产线等超硬磨料车轮中,金属粘合剂允许车轮孔隙率达到46%。

在某些情况下,也可以使用超硬磨料车轮,无需任何修整。采用单层金属结合剂超硬磨料砂轮,在数控铣床上实现了缓进给磨削。

8.拉削现在有一个低足迹的竞争对手。

铣削并不是缓进给磨削的唯一竞争对手。另一种是拉削,特别是用于在高温合金制成的飞机发动机盘中实现枞树形状的拉削。这种形状可以通过缓进给磨削产生。其结果可能是节省了大量的占地面积。由于需要较长的线性行程,用于此操作的拉床很容易达到30到40英尺长。缓进给磨削提供了在标准尺寸机床内执行相同加工的机会。

9.在航空航天领域,MRR可与铣削相媲美。

Varghese博士再次强调:磨削是一个精加工过程,是应用于加工零件的最终接触,以实现尺寸和表面公差。也就是说,磨削的历史作用是一种观点,随着先进工件材料的广泛使用,磨削所能做的一切将越来越少。在过去,每英寸砂轮宽度每分钟1立方英寸是预期磨削的典型特定MRR。他说,在如今使用工程砂轮的数控机床上的高温合金磨削应用中,缓进给磨削可以实现每英寸砂轮宽度每分钟18立方英寸的特定MRR,从而使整体MRR等于或优于铣刀在相同工件材料中的作用。

另一个重要的进步领域是能源需求的蠕进磨要求。从机器的角度来看,爬行进给是一个高力的过程(点2),但更锋利的切割砂砾在现代车轮减少了这种力。改进的砂轮孔隙率,用于输送磨屑和冷却剂,以及改进的冷却剂技术,也有助于提高能源效率。因此,蠕进式磨矿的比能量——移除每立方英寸材料所需要的能量——也可以与磨矿相媲美。

10蠕变进给提供了重新定位热处理的承诺。

但仅就加工周期而言,将铣削与磨削进行比较可能会错过缓进给的最大好处之一:对加工顺序的根本改变。在作为精加工操作的磨削的传统角色中,零件通常在此步骤之前进行热处理。磨削是在较硬的后热处理状态下进行加工的有效工艺,尽管在这种状态下铣削零件会有问题。因此,大部分零件的加工是在工件仍然柔软的情况下通过铣削进行的,然后进行热处理,然后零件可能在磨削前接受最后的轻铣削步骤,或者直接进行磨削。这种顺序铣削、将零件送去进行热处理、将零件带回车间进行包括磨削在内的操作是制造商的第二天性,也是制造许多零件的标准方式。

然而,爬行进给磨削可以取消这一顺序。工件可以先进行热处理,这意味着工件可以在任何加工之前先达到其最终硬度。爬行进给磨削将消除中断,延迟和协调必要的运输一个部分完成的部分离开现场步骤。与磨矿的MRR匹配可能是磨矿在生产中发挥更大作用的基准,但在某些情况下,重新安排生产中需要的步骤可能是蠕动进给磨矿实现最大节省的地方。

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